CN102002640B

CN102002640B - 一种采用加压感应制备高氮钢的方法

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Publication number: CN102002640B
Application number: CN 201010280590
Authority: CN
Inventors: 陈巍; 袁书强; 刘燕林; 田雨江; 宗铎; 魏洁
Original assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: No 52 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2010-09-09
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2030-09-09
Also published as: CN102002640A

Abstract

本发明公开的是一种采用加压感应制备高氮钢的方法，该方法包括①按照目标化学成分的要求配置冶炼原料：目标化学成分按重量百分比：C：≤0.1％，Cr：18～23％，Mn：12～18％，Si：＜1.0％，Mo：1.0～2.5％，N：0.8～2.4％，Fe：余量；配置冶炼原料包括：纯铁、电解锰、硅铁、钼铁、铬铁、氮化铬铁等；②将冶炼原料纯铁、电解锰、硅铁、钼铁先放入感应熔炼炉坩埚内；③开始熔炼时启动外部抽气系统，达真空度0～10Pa；④钢水熔化后加入铬铁和氮化铬铁，控制炉温1480℃～1520℃，调节氮气通入阀控制氮压力，保压20±5分钟，保持炉温在1480℃～1520℃时开始浇注；⑤待铸锭完全凝固冷却后取出。本发明采用氮气加压和合金氮化方法制备高氮不锈钢材料，以锰、氮代镍，具有成本低、高强度、高断裂韧性、低磁导率、良好的耐腐蚀性能等优点。

Description

一种采用加压感应制备高氮钢的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种采用加压感应制备高氮钢的方法。

背景技术

随着我国能源紧张，原材料价格的不断上涨，高氮不锈钢因具有成本低、高强度、高断裂韧性、低磁导率、良好的耐腐蚀性能等优点，已越来越受到我国不锈钢企业的重视。传统的不锈钢主要添加铬、钼、铜、硅、镍、锰等合金元素，以达到钢的耐蚀性能与强韧性的合理匹配，是一种高合金含量的特种钢，随着不锈钢技术的发展，依靠氮合金化的高氮奥氏体不锈钢的开发已成为不锈钢材料的发展趋势。氮是大气中取之不尽的资源，在钢中加入氮可有效提高不锈钢材料的耐点蚀、耐应力腐蚀等性能；并可获得稳定的奥氏体组织。固溶在钢中的氮能同时提高钢的强度、塑性。高氮钢可以达到较高的屈服及拉伸强度，并且在不牺牲韧性的退火状态下，屈服和拉伸强度超过一般AIS1200及AIS1300系列钢的200％～350％。固溶的氮可以提高不锈钢的耐一般腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀能力，是铬的20倍。目前，世界各国大力开展以氮代镍的高氮钢材料研究，德国、日本、瑞士、保加利亚等国已纷纷开展高氮钢研制。并已在发电业、造船业、铁路等工业得到应用。

目前，国内外氮合金化普遍采用如下两种方法：加压熔体氮合金化和调整合金成分提高氮的溶解度。采用加压熔炼法主要有加压感应炉熔炼、加压等离子炉熔炼、加压电渣炉熔炼等方法，这些工艺可以生产出含氮1.0wt％以上的高氮钢；通过调整合金成分提高氮的溶解度，主要添加氮铁合金来获取所需的氮含量，以锰、氮代镍作为主要的奥氏体化合金元素，这些工艺生产出的氮含量一般在0.4～1.0wt％之间。

目前保加利亚金属科学研究所开发了适合工业化生产的大溶池炼钢+反压浇注方法(简称BSB+CPU)，该工艺成本低，对环境无污染，用该方法合金化与凝固过程可在时间上和空间上加以分开，采用感应炉熔炼，材料成分分布均匀，凝固过程随氮压力的增加，氮合金化能力增强。随着AOD工艺技术和炉外精炼技术的发展，南非Columbus钢铁公司采用AOD工艺，用氮气代替氩气生产了成分为Cr：14～24％，Mn：10～20％，Mo：0～6％，Ni：0～4％，Cu：0～2％，N：0～1.2％的钢，Kupari等研究认为，AOD吹炼的最后阶段适时的从吹氩转至吹氮，可以达到所需的氮含量，Syvazhin等认为，吹炼第二阶段吹气速率为0.5～1m³/t.min时，对增加氮的吸收是有利的。Feichtinger认为，底吹AOD比顶吹和顶底复吹吸氮效果好。日本川崎钢铁公司在复吹转炉中炼不锈钢时，采用底吹氮稀释脱碳和还原精炼，使钢中的[N]增高。

发明内容

本发明的目的是在氮合金化工艺的热力学和动力学技术基础上，提供一种采用加压感应制备高氮钢的方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种采用加压感应制备高氮钢的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①按照目标化学成分的要求配置冶炼原料：

目标化学成分按重量百分比：

C：≤0.1％，Cr：18～23％，Mn：12～18％，Si：＜1.0％，

Mo：1.0～2.5％，N：0.8～2.4％，Fe：余量；

配置冶炼原料包括：纯铁、电解锰、硅铁、钼铁、铬铁、氮化铬铁；

②将冶炼原料中的纯铁、电解锰、硅铁、钼铁先放入感应熔炼炉坩埚内；

③开始感应熔炼，同时启动外部抽气系统，对熔炼系统抽真空，要求真空度达到0～10Pa；

④熔炼待钢水熔化后，由加料口加入铬铁和氮化铬铁，并控制炉温1480℃～1520℃，同时调节感应熔炼室氮气通入阀，控制氮的压力，保压20±5分钟后，炉温保持在1480℃～1520℃开始浇注；

⑤待铸锭完全凝固冷却后取出。

与现有技术相比，本发明采用氮气加压和合金氮化方法进行熔炼，以锰、氮代镍，降低成本，有效提高不锈钢材料的耐点蚀、耐应力腐蚀等性能，并可获得稳定的奥氏体组织，具有较高的屈服和拉伸强度。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

一种采用加压感应制备高氮钢的方法，本发明利用加压感应炉熔炼并制备高氮钢，加压感应炉是通过真空装置进行改造，可在大气条件下运行，也可转换成真空下运行，冶炼中途可以添加合金元素，本加压冶金装置在气体压力下熔炼金属，可以与易挥发元素，如Ca、K、Pb、Zn、Mg等进行合金化。同时可以抑制熔融金属的沸腾，可将所有气体和粉尘颗粒密闭在密封工作腔室内，符合生态环保要求。

与其他氮合金化工艺相比，加压感应炉采用感应加热，熔化的金属在电磁力的作用下产生强烈的搅拌，因此能充分保证氮与其他合金元素的均匀分布；通过控制压力和调整合金元素含量，可以制备各种化学组分的材料；此外消耗电能较低；符合节能环保要求。

由于在加压电感应炉中金属的氮化是在“液态金属—气体”界面上进行的N2-2N反应。在该反应中，分隔相的边界起决定作用，当它很小时，总熔池浸润率不高，因此，该设备只适于100公斤以内的小件熔炼，不适合工业化生产。

本发明采用氮气加压和合金氮化方法进行熔炼。

技术原理：

高氮钢的冶金控制在于两个方面，一、通过工艺提高钢中氮的浓度，防止氮的溢出，保证氮在钢中分布均匀；二、根据材料性能和要求设计合理高氮钢成分，提高氮的溶解度。

为获得精确的氮含量，保证氮在钢中均匀分布，按照氮在合金中的溶解度与压力的关系经验公式进行计算。设计的合金成分分别乘以元素影响系数，从而计算出冶炼过程中所需的氮的压力，这样可制备出达到理论设计氮含量的目标合金，元素影响系数见表1。

{[% N]}_{Fe, x_{i}} = \frac{{[% N]}_{Fe}}{f_{N}^{Σ}} \sqrt{P_{N_{2}}}

\log f_{N}^{Σ} = \underset{i}{Σ} e_{N}^{i} [% i] + \underset{i}{Σ} e_{N}^{ii} {[% i]}^{2}

\log f_{N}^{Σ} = e_{N}^{C} [% C] + e_{N}^{Si} [% Si] + e_{N}^{Cr} [% Cr] + e_{N}^{CrCr} {[% Cr]}^{2} + e_{N}^{Mn} [% Mn] + . . .

\log \frac{[% N]}{5.1 - [% N]} = - \frac{188}{T} - 1.95757 - (\frac{3280}{T} - 0.75) \log f_{N}^{Σ} + \frac{1}{2} \log P_{N_{2}}

式中：

-钢液中氮的活度系数，

-元素影响系数，[％N]_Fe-氮在纯铁中的溶解度，[％N]_Fe，Xi-钢中氮含量的设计值，P_N2-氮的压力，T-钢水温度。

表1元素影响系数

元素

C

Si

Ni

W

Mo

Mn

Cr

V

Nb

Ti

e_N

+0.125

+0.065

+0.01

-0.0015

-0.01

-0.02

-0.045

-0.11

-0.06

-0.053

实施例1：

冶炼10公斤Cr23Mn18N2

1、通过公式计算Cr23Mn18N2(表2)获得氮含量达到2.0％时所需的压力，3.21MPa。

表2目标化学成分(重量百分比)

C

Cr

Mn

Si

Mo

S

N

Fe

≤0.1

18～23

12～18

＜1.0

1.0～2.5

-

2.0

余量

2、根据目标化学成分配备冶炼原料，见表3，放入感应熔炼炉坩埚内。

表3冶炼原料配比(g)

纯铁	铬铁	氮化铬铁	电解锰	钼铁	硅铁	稀钙粉
							4960	504	1904	2020	414	90	18.5

3、开始感应熔炼，同时启动外部抽气系统，对熔炼系统抽真空，真空度达到0～10Pa即可。

4、熔炼待钢水熔化后，由加料口加入铬铁、氮化铬铁；将炉温控制在1520℃，输出电压：2.5KVA～40KVA。调节感应熔炼室氮气通入阀调节氮的压力，控制氮的压力在P_N2＝3.2MPa，保压25分钟后，在1520℃开始浇注。

5、待铸锭完全凝固冷却后取出，得到的实际化学成分见表4

表4实际化学成分(重量百分比)

C	Cr	Mn	Si	Mo	S	N	Fe
								0.06	22.6	17.5	0.65	2.4	0.009	2.44	余量

实施例2：

冶炼10公斤Cr18Mn12N

1、通过公式计算Cr18Mn12N(表5)获得氮含量达到1.0％时所需的压力，1.1MPa。

表5目标化学成分(重量百分比)

C

Cr

Mn

Si

Mo

S

N

Fe

≤0.1

18～23

12～18

＜1.0

1.0～2.5

0.018

0.8～1.0

余量

2、根据合金成分配备冶炼原料，见表6，放入感应熔炼炉坩埚内。

表6冶炼原料配比(g)

纯铁	铬铁	氮化铬铁	电解锰	钼铁	硅铁	稀钙粉
							5790	1270	620	1200	525	90	18.5

4、熔炼待钢水熔化后，由加料口加入铬铁、氮化铬铁；将炉温控制在1500℃，输出电压：2.5KVA～40KVA。调节感应熔炼室氮气通入阀调节氮的压力，控制氮的压力在P_N2＝1.1MPa，保压20分钟后，在1500℃开始浇注。

5、待铸锭完全凝固冷却后取出，得到的实际化学成分见表7

表7实际化学成分(重量百分比)

C	Cr	Mn	Si	Mo	S	N	Fe
								0.05	18.01	12.98	1.04	1.04	0.018	0.815	余量

实施例3：

冶炼10公斤Cr20Mn14N

1、通过公式计算Cr20Mn14N(表8)获得氮含量达到1.2％时所需的压力，1.5MPa。

表8目标化学成分(重量百分比)

C

Cr

Mn

Si

Mo

S

N

Fe

≤0.1

18～23

12～18

＜1.0

1.0～2.5

0.018

0.8～1.2

余量

2、根据合金成分配备冶炼原料，见表9，放入感应熔炼炉坩埚内。

表9冶炼原料配比(g)

纯铁	铬铁	氮化铬铁	电解锰	钼铁	硅铁	稀钙粉
							5560	1360	620	1280	580	90	18.5

4、熔炼待钢水熔化后，由加料口加入铬铁、氮化铬铁；将炉温控制在1480℃，输出电压：2.5KVA～40KVA。调节感应熔炼室氮气通入阀调节氮的压力，控制氮的压力在P_N2＝1.5MPa，保压25分钟后，在1480℃开始浇注。

5、待铸锭完全凝固冷却后取出，得到的实际化学成分见表10

表10实际化学成分(重量百分比)

C	Cr	Mn	Si	Mo	S	N	Fe
								0.04	20.20	14.8	0.43	1.64	0.010	1.2	余量

Claims

1.一种采用加压感应制备高氮钢的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①按照目标化学成分的要求配置冶炼原料：

目标化学成分按重量百分比：

C：≤0.1％，Cr：18～23％，Mn：12～18％，Si：＜1.0％，

Mo：1.0～2.5％，N：0.8～2.4％，Fe：余量；

④熔炼待钢水熔化后，由加料口加入铬铁和氮化铬铁，并控制炉温1480℃～1520℃，同时调节感应熔炼室氮气通入阀，控制氮的压力，压力公式为：

式中：

-钢液中氮的活度系数， -元素影响系数，[％N]_Fe-氮在纯铁中的溶解度，[％N]_Fe，Xi-钢中氮含量的设计值，P_N2-氮的压力，T-钢水温度；

元素影响系数

元素 C Si Ni W Mo Mn Cr V Nb Ti eN +0.125 +0.065 +0.01 -0.0015 -0.01 -0.02 -0.045 -0.11 -0.06 -0.053

然后，保压20±5分钟后，炉温保持在1480℃～1520℃开始浇注；

⑤待铸锭完全凝固冷却后取出。